摘 要：變頻器的正確選用對于機械設備電控系統的正常運行是至關重要的。選擇變頻器，首先要根據本企業的實際情況出發，合理選擇變頻器電壓等級，在一定的功率范圍內（1000Kw以下）盡量選擇低壓變頻器，同時按照機械設備的類型、負載轉矩特性、調速范圍、靜態速度精度、起動轉矩和使用環境的要求，決定選用何種控制方式和防護等級的變頻器。 關鍵詞：變頻器 精度 選型 變頻器主要用于交流電動機轉速的調節，是理想的調速方案，隨著中國經濟的整體快速發展，市場對傳動產品的要求逐漸提高，變頻器調速以其自身所具有的調速范圍廣，調速精度高，動態響應好等優點，在許多速度控制應用領域中發揮越來越重要的作用，它除了具有優良的調速性能之外，還具有顯著的節能效果，特別是變頻器應用在風機和水泵上，該類負載在國民經濟各部門的應用數量眾多，分布極廣，耗電量巨大，且調速范圍又有限（一般50%-100%），是一個很有發展前途的應用領域。 以電廠為例，大量的鍋爐輔機的傳動系統容量一般較大，定速運行時存在嚴重電能浪費問題。采用大功率變頻器，可以對電廠的鍋爐風機和水泵設備，如鍋爐鼓風機、鍋爐引風機、鍋爐送水泵、冷凝水泵、沖渣水泵、灰漿泵等進行配套或改造，節電效果非常顯著。同時可以實現很高的自動化控制，使鍋爐運行更加安全可靠，如引風機變頻調速使爐膛負壓更加穩定；一次風機變頻調速送風更加穩定，煤的燃燒更加徹底；灰漿泵變頻調速能夠保護灰漿泵電機，防止泵堵塞過載燒毀電機等。 一、國內電廠大功率電機現狀 國內電廠鍋爐輔機大部分風機和水泵的功率在200kW-2000 kW，按照國內慣例，200kW以上的電動機均采用6kV電動機，使得電廠主要輔機都采用6kV電動機，電力部門從減小線損的角度出發，希望提高供電電壓，大力推行10kV，用戶從簡化配制的角度出發，自然希望200Kw以上的電動機和變頻器采用6kV或10kV，這種配置的優點是能節省一臺電動機的購置費用和安裝工作量；可以直接加裝變頻器旁路開關，在變頻器發生故障時，可以直接通過旁路開關切換到6kV或10kV廠用母線上來，不必中斷運行。然而選用6kV或10kV“直接”變頻，從技術和經濟角度看都不合理。目前所有的“直接”高壓變頻都不是真正的直接變頻，在其輸入側都有變壓器或者依靠電子器件的串聯，因此電動機和變頻器沒有必要和電網電壓一致。從經濟角度看一臺560kW高壓變頻器售價是低壓660V或690V變頻器售價的一倍多，售價超過120萬。說明在一定的功率范圍內，即使考慮到更換電動機和添加整流變壓器的費用，選擇低壓方案也比高壓方案要經濟的多，后期的設備維護成本，維修的技術要求都要求的低。 二、高低壓變頻器結構比較 近年來各種高壓變頻器不斷出現，可是到目前為止，高壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣近乎統一的拓撲結構，一個二極管整流電路，一個中間直流回路，一個逆變橋組成，逆變橋通常由1.2kV（380V變頻器），1.７kV（690V變頻器），IGBT組成，每個橋臂一般只用一個功率器件。高壓變頻器結構相對較復雜，通過多年的不斷研究一種以北京利德華福為代表的采用多重化技術制作的高壓變頻器，也就是用小功率器件實現大功率變換的一種手段。所謂多重化技術就是每相由幾個低壓PWM功率單元在其輸出端通過某種方式（如變壓器）串聯或并聯組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，由低壓單元串聯疊加達到高壓輸出或并聯達到大容量輸出的目的。另一種是以成都佳靈為代表的多管直接串聯的兩電平變換電路高壓變頻器，主要是將功率器件串、并聯使用，來滿足系統高壓變頻的要求，串、并聯在一起的各種器件，被當作單個器件使用，利用較為成熟的低壓變頻器的電路拓撲控制策略和控制方法，實現高壓變頻器產品。這樣做的難點是串聯開關管需要動態均壓和靜態均壓，對驅動控制電路整體要求較高，還需要解決du/dt，抗共模電壓，正弦波濾波等諸多技術問題。再一種是以清華大學電機系為代表的二極管箝位型三電平變換電路高壓變頻器，目的是克服功率器件直接串聯時所需的均壓問題，在多管直接串聯的基礎上引入了箝位二極管概念，避免器件直接串聯引起的動態均壓問題。除了上述三種主流拓撲結構形式的高壓變頻器外，近年來又出現飛跨電容箝位型三電平變換電路，電容自舉多電平變換電路等多種形式的高壓變頻器，無論何種形式都伴隨著自身的相適應的控制方法和理論，任何一種控制方法都較低壓普通二電平變頻器復雜，伴隨著一系列要解決的難題，像功率器件選型、雜散參數處理、絕緣、電磁干擾、散熱冷卻、器件的場域分析、能量控制、du/dt和di/dt的影響、暫態過程控制等問題的解決，這些都是低壓變頻器不曾出現或出現極少的問題，或是低壓變頻器容易解決的問題，因此使用低壓變頻器對系統來說更為可靠、簡單。 三、變頻器選型 變頻器的正確選用對于機械設備電控系統的正常運行是至關重要的。選擇變頻器，首先要根據本企業的實際情況出發，合理選擇變頻器電壓等級，在一定的功率范圍內（1000Kw以下）盡量選擇低壓變頻器，同時按照機械設備的類型、負載轉矩特性、調速范圍、靜態速度精度、起動轉矩和使用環境的要求，決定選用何種控制方式和防護等級的變頻器。 3.1 合理選用變頻器電壓等級 目前，變頻器合理的電壓登級是由功率器件承受電壓水平決定的，而某一電壓等級下變頻器可能的功率范圍則由功率器件的承載電流能力決定；受電力電子器件電壓及電機允許的du/dt限制，10kV變頻器必須多電平，多器件串聯。造成線路復雜，價格昂貴，可靠性差，維護成本高。對于10kV變頻器若使用1700V IGBT器件，需10串，三相供120支器件；若使用3300V 器件，也需5串供60支器件，數量巨大，可靠性必將受到影響。另一方面高壓變頻器使用器件一般電流小，器件的電流能力得不到充分利用，以710kW為例，10kV電動機電流僅有50A左右，目前耐壓1700V的IGBT電流已做到2400A，3300V器件電流達1600A，有大電流器件不用，偏要用大量小電流器件串聯，其結構極不合理。即使電動機功率達到2000kW，電流也只有150A左右，仍顯很小。實際應用中為了電平隔離，改善輸入電流波形及減小諧波，大部分高壓變頻器輸入側都加有輸入變壓器，既然有變壓器，變頻器和電動機的電壓就沒有必要和電網電壓一樣，非用6kV或10kV不可。因此就有了變頻器和電動機的合理電壓等級問題。過去電動機中低壓200kW分界主要考慮電動機直接起動，起動電流5-7倍額定電流，若使用10kV/380V電力變壓器，其容量2000kVA，短路阻抗6%左右考慮，開關的瞬時脫扣值就很大了，如要提高電力系統穩定性和供電質量的話，變壓器阻抗還希望進一步降低；但是阻抗越小，則帶來系統短路電流就會增大，更不利于電器設備選擇，線路中的開關的分斷容量還要進一步提高，勢必造成選型成本的提高，造價提升。電動機起動時380V母線壓降限制在50%左右的話，就要再加大變壓器容量，短路電流會太大，低壓開關將難以承受。采用變頻器調速后，起動電流被限制在額定電流值內，低壓變頻器容量目前可做的很大，ABB等公司掌握了逆變單元的并聯輸出技術，低壓變頻器容量可以做到2900kW，為我們大量選用低壓大功率變頻器提供了可能。在實踐中我們可以把原來僅起到隔離作用的進線變壓器10Kv/6kV或6Kv/6kV，改為6Kv/690V、6Kv/380V的進線變壓器，則可獲得690V和380V電源電壓，為大量采用低壓大功率變頻器提供了可能。目前國內660V或690V低壓電動機容量已做到1000-1200Kw，使選型更為便捷。 3.2 機械設備的負載轉矩特性 人們在實踐中常將生產機械根據負載轉矩特性的不同，分為三大類型：恒轉矩負載、恒功率負載和風機、水泵類負載。 3.2.1 恒轉矩負載 在這類負載中，負載轉矩TL與轉速n無關，任何轉速下TL總保持恒定或基本恒定，負載功率則隨著負載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設備的進給機構等摩擦類負載以及起重機、提升機、電梯等重力負載，都屬于恒轉矩負載。 變頻器拖動恒轉矩性質的負載時，低速時的輸出轉矩要足夠大，并且要有足夠的過載能力。如果需要在低速下長時間穩速運行，應該考慮標準籠型異步電動機的散熱能力，避免電動機溫升過高。 3.2.2 恒功率負載 這類負載的特點是需??似保持不變。金屬切削機床的主軸和軋機、造紙機、薄膜生產線中的卷取機、開卷機等，都屬于恒功率負載。 負載的恒功率性質應該是就一定的速度變化范圍而言的。當速度很低時，受機械強度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉變為恒轉矩性質。負載的恒功率區和恒轉矩區對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調速時，最大允許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；而超過弱磁點后，進入弱磁調速區，變頻器輸出電壓不在增加，速度增加，轉矩下降，最大允許輸出轉矩與速度成反比，屬于恒功率調速。 3.2.3 風機、水泵類負載 這類負載的轉矩與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比。各種風機、水泵和油泵，都屬于典型的流體類負載。流體類負載通過變頻器調速來調節風量、流量，可以大幅度節約電能。由于流體類負載在高速時的需求功率增長過快，與負載轉速的三次方成正比，所以不應使這類負載超工頻運行。電廠中該類負載設備占很大比例。了解了設備的負載類型，在選擇變頻器還不夠，還需要選擇正確的電壓等級。 知道電動機拖動的負載類型，選擇了正確供電電壓，在實際選擇變頻器還要依據電機額定電流值作為變頻器選擇的主要依據,電機的額定功率只能作為參考。另外,應充分考慮變頻器的輸出含有豐富的高次諧波,會使電動機的功率因數和效率變壞.因此用變頻器給電動機供電與用工頻網供電相比較電動機的電流會增加10％，而溫升會增加20％左右。所以在選擇變頻器時,應考慮到這種情況,適當留有余量, 以防止溫升過高,影響變頻器的使用壽命。 另外，變頻器與電動機安裝距離較長時,應該采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不夠。所以在選擇變頻器時應放大一檔或在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。只有正確地選擇了變頻器，才能保證改造和生產的順利進行。 下面用一個具體的事例，說明低壓大功率在電廠新上項目的成功應用。 四、低壓大功率變頻器的實踐 經濟發展，熱電優先，在這一背景之下，2004年秦皇島同和熱電有限公司進行二期擴建項目，工程主要由1×24MW雙抽凝汽式汽輪發電機組配1臺170t/h循環流化床鍋爐、主廠房的建設及基礎工程施工，鍋爐的輔機四臺大功率電動機，其中引風機電機額定功率：1120KW；一次送風機電機額定功率：710KW；二次送風機電機額定功率：450KW；循環泵電機額定功率：680KW。若都采用高壓6kV變頻器勢必增加擴建項目一次投資費用，通過我們大力推薦使用低壓大功率變頻器，加之廠家的實際考察，最終采用了ABB低壓變頻器。 具體的變頻器型號與應用如下： ACS800-07-0580-7；具體電流值488A。 用于拖動450KW/690V二次風機變頻電機；電機電流：441A。 ACS800-07-0870-7；具體電流值729A。 用于拖動循環泵680KW/690V循環泵變頻電機；電機電流：705A ACS800-07-1060-7；具體電流值885A。 用于拖動710KW/690V一次風機變頻電機；電機電流：736A ACS800-07-1500-7；具體電流值1208A。 四、套裝置附件的詳細說明如下： 1）四套裝置都配有進線電抗器作為交直交變頻器，進線電抗器不僅可以大大減少進線電網諧波，而且可以減少對設備的電流沖擊，保證設備的可靠性。ABB公司把進線電抗作為標配內置于整流模塊內； 主要作用是：抵制或消除變頻器輸入電流中的高次諧波通過電網，對電子回路和電子設備的干擾。 2）四套裝置都配有熔斷器組合開關 主要作用是：保護整流進線單元電子元器件，為了給操作維護人員一個明確的斷點，必須在變頻裝置進線側加裝隔離開關，作為明顯的操作斷點；保證檢修人員安全或停機時分合主電路存有明顯斷點；嚴禁帶負荷分斷此開關。 3）四套裝置都配有接觸器+急停開關 主要作用是：為了設備的可靠保護，在出現設備故障時，按急停開關，依靠進線接觸器作為自動跳閘器件，切斷主電路，保證設備和人身安全；使系統更加安全、方便，便于遠程操作。 4）四套裝置都配有Du/dt濾波器 主要作用是：變頻器會對電機帶來明顯的繞組絕緣沖擊電壓、以及不對稱的軸承電流，對電機的使用（壽命）帶來明顯影響；除非特制電機，通常690VAC電機所用變頻裝置必須加上du/dt濾波器，以確保電機的可靠使用； 另外對減少對電機的噪聲，降低電磁輻射，大幅度衰減高頻成分，確保電磁環境干凈，延長電機壽命都有一定好處。 5）四套裝置都配有12脈波整流器 每套裝置都配有兩套6脈波整流器，組成12脈波整流器——可以有效地消除電流中的11次以下諧波，減少對電網諧波干擾，凈化電網環境。 4.1 工作原理與系統結構 秦皇島同和電廠170噸鍋爐輔機使用的是ABB公司生產的ACS800大功率變頻器，采用直接轉矩控制（DTC），它屏棄了矢量控制中的解耦思想，而是通過時時檢測磁通幅值和轉矩值的方式來分別與磁通和轉矩給定值進行比較，并由磁通和轉矩調節器直接輸出所需要的電壓矢量值，直接轉矩控制系統由速度控制環和轉矩控制環組成。ABB公司將DTC技術和模糊控制理論合二為一，生產的高性能、低成本的變頻器調速產品，并且性能大大優于矢量控制變頻器。 在DTC中，定子磁通和轉矩被作為主要的控制變量。高速數字信號處理器與先進的電機軟件模型相結合使電機的狀態每秒鐘被更新40,000次。由于電機狀態以及實際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開關狀態都是單獨確定的。這意味者傳動可以產生最佳的開關組合并對負載擾動和瞬時掉電等動態變化做出快速響應。根據設定情況分別響應，由于存在中間直流環節，可以有效抑制電壓降低，為變頻器判斷繼續工作還是故障保護提供了保證。在DTC中不需要對電壓、頻率分別控制的PWM調制器。因此沒有固定的斬波頻率，在實際運行中，不會產生其它變頻器驅動電機時所發出的那種高頻噪聲，同時也降低了變頻器本身的功耗。豐富、靈活的輸入輸出口定義功能，可在大多數應用場合，實現用戶要求而不需要任何附加電路。 4.1.1 三臺風機的作用 循環硫化床鍋爐采用平衡通風方式，每臺鍋爐配一次、二次風機各一臺，燃燒室需要的空氣從一次、二次風機吸入后分別送進空氣預熱器中加熱，加熱后的一次風送入沸騰床及反料器，二次風進入爐膛，燃料在燃燒室中與空氣混合燃燒，一次空氣從底部通過爐排均勻送入爐膛，起到燃燒化作用，二次空氣通過爐膛夾層預熱，然后進入二次燃燒室，起到二次燃燒作用，一次空氣和二次空氣通過固定好蝶閥位置，根據爐膛的燃燒情況，通過一、二次風機變頻器，改變風機電機轉速，達到調整空氣用量目的。引風機用以維持爐膛負壓燃燒。 4.1.2 引風機的作用 引風機用以配合鍋爐控制系統以節約燃料，提高鍋爐燃燒效率，減少環境污染為主要目的，利用現代自控技術、通過上位DCS小型分散二級控制方式，結合媒質的燃燒情況，檢測爐膛壓力、煙氣含氧量、排煙溫度等多參量，實現對變頻器進行可靠控制，隨時調節引風機的運行速度，從而自動監視爐膛壓力，以維持負壓燃燒。要求在不同的負荷條件下，保持主汽壓力的恒定，通過調節進入爐膛的燃料量及空氣量，使鍋爐的蒸汽產量與汽輪機的耗汽量及供熱量相平衡。爐膛負壓太小甚至偏正，局部地區容易噴火，不利于安全生產，也不利于環境衛生；如果負壓太大會使大量冷空氣漏入爐子，增大引風機負荷和排煙帶走的熱損失，不利于經濟燃燒。爐膛負壓必須?引風變頻器的頻率來控制，并且引入送風量作為前饋信號參與整個控制。自動控制過程由上位機來完成。 4.1.3 一次送風機的作用 一次送風機用以配合鍋爐控制系統以節約燃料，提高鍋爐燃燒效率，減少環境污染為主要目的，通過上位機DCS系統，隨時調節一次送風機的運行速度，從而自動監視爐膛含氧比例，維持正常燃燒。使空氣和燃料保持適當比例，是燃燒過程的最佳操作條件，是提高鍋爐效率和經濟性的關鍵措施。維持經濟燃燒，關鍵是保持合適的風煤比。當煤的體積流量改變之后，應當按一定的比值關系改變一次送風量。改變風量依靠一次風機變頻器來實現。先調整好爐排下各風室的風門開度，再調整一次風機變頻器頻率作為控制風量的手段。自動控制過程由上位機來完成。使用ABB公司的變頻器可以使送風機實現軟啟動控制，既減小了電機啟動時對電網的沖擊，又減少了鼓風機的啟動磨損和設備的沖擊能耗，延長了設備的電氣和機械壽命。 4.1.4 二次風機的作用 二次風機用以配合鍋爐控制系統以節約燃料，提高鍋爐燃燒效率，減少環境污染為主要目的，通過上位機DCS系統，隨時調節二次風機的運行速度，使空氣和燃料保持適當比例，是完成燃燒過程的最佳操作條件，是提高鍋爐效率和經濟性的關鍵措施。維持經濟燃燒，關鍵是保持合適的風煤比。當煤的體積流量改變之后，應當按一定的比值關系改變送風量。只靠改變一次風機風量很難實現；需要二次風機的配合，使煤在二次燃燒室充分燃燒，二次風機受一次風機的影響，在使用中一定加以注意，并限制電機的最低轉速，充分利用二次風量達到最佳燃燒目的，使鍋爐達到滿負荷運行。 上述風機使用變頻器不僅可以完成生產工藝要求，同時可以使風機實現軟啟動控制，既減小了 電機啟動時對電網的沖擊，又減少了風機的啟動磨損和設備的沖擊能耗，延長了設備的電氣和機械壽命。另外變頻器輸出帶有一定的高次諧波，可能加速電動機的絕緣老化，這一點在使用中應加以注意。 五、進線單元 進線電源：690V。 四臺大變頻器都配有進線開關柜，接觸器、急停開關。進線接觸器可選件包括柜門上的急停按鈕，外部急停按鈕可以引線至柜內端子排，按下急停開關，急停命令封鎖逆變器半導體，切斷主接觸器，電機自由停車，裝置配有防止意外起動裝置。 本次選用12脈波整流器，包含并聯連接的兩個6脈波整流橋。通過使用12脈波整流器，可以減少總的諧波畸變，清除五次諧波和七次諧波。因為EMC濾波器不能與12脈波整流器一起使用（變壓器的副邊浮地！）推薦安裝帶有屏蔽層的供電變壓器，來減少傳輸輻射。整流單元包括：兩套二極管整流單元（DSU），型號：ACS800-507-0680-7。 六、整流變壓器數據 為得到12脈沖方式的相位移，要求使用多繞組變壓器。變壓器的另一個目的是提供足夠的阻抗將網側諧波限制在 IEEE519所要求的限值范圍內。我們采用的是廣東順德生產的干式變壓器，隔離變壓器有兩個次級繞組，一個為 Y 接法，另一個為 Δ接法，這樣兩個次級繞組間產生30°的相位差，提供12脈波，滿足12脈沖輸入整流橋的要求。 過載倍數：1.5倍（每10分鐘對一分鐘） 空載變比：6kV ± 2x2.5% 抽頭/0.72kV / 0.72kV 額定頻率（Fn）：50Hz ± 2% 連接組別：Dyn 11 d0 短路阻抗電壓降：兩組副邊繞組的短路阻抗電壓降分別為8% 短路阻抗電壓降偏差：兩組副邊繞組的短路阻抗電壓降的偏差￡3% 電壓偏差：兩組副邊繞組在額定負載下輸出的電壓偏差值￡0.3%＊UN 環境溫度：最高40攝氏度 其他： 高低壓繞組之間加屏蔽層，屏蔽層引出接線端。 副邊Y繞組的中心點引出接線端。 各繞組、屏蔽層、引出端的耐壓，絕緣及安全符合相應的國家標準。 加裝鋁合金防護罩，帶PT100測溫元件（低壓繞組+鐵芯）的風冷溫控裝置。 七、變頻器調試 7.1 變頻器功能設定 通過設定變頻器參數來滿足電廠鍋爐輔機的正常運行，參數可以通過隨機攜帶的CDP312控制盤單獨設定，也可選擇一個預編好的應用宏，它可以快速簡單地完成ACS800的啟動。標準應用宏包括工廠宏、手動/自動宏、PID應用宏、轉矩控制宏、順序控制應用宏等。 7.2 控制方式 變頻器具有以下三種控制方式： 本地控制：通過隨即攜帶的CDP312控制盤完成。 遠程控制：通過變頻器端子接受來自現場或控制室的開關量或模擬量控制。 總線控制：通過變頻器擴展口接的總線適配器接受來自PLC或上位機的通信信號，ACS800具 有多種串行通訊接口，可以與CDP312控制盤和PC機通信，也可以通過匹配不同的區域總線適配器與其它上位控制系統通信，以此完成操作、調試、診斷和控制的目的。 本次項目采用遠程控制上位機控制。參數設定由CDP312控制盤完成。 7.3 加、減速時間設定 風機的轉動慣量較大，加、減速時間一般設定較長，目的防止啟動時變頻器報過流或過載故障，減速時間過短容易報中間直流過壓故障，因此兩段時間多大于90秒。 7.4 試運行 變頻器調速系統參數設定完成后，首先進行電機參數辯識，完成后就可以進行系統試運行。先在控制盤完成低頻運行，觀察電機運轉方向是否正確，轉速是否平穩，溫升是否正常，加減速是否平滑，在繼續在20、30、40、50Hz等頻率點試運行。如果試運行正常，變頻器就可以投入試生產。 八、結束語 本文通過事例描述，說明電廠輔機采用大功率變頻器不僅可行，而且經濟，控制和線路非常簡單，再加上變頻器完善的故障診斷和顯示功能，使整個調速系統的可靠性、可維修性大幅度提高，電廠的自動化水平也得到進一步加強，得到了用戶的肯定，市場前景非常廣泛。